摘要：为了满足6G网络通信下用户接入和高效的资源利用的需求，在无载波幅度相位调制（Carrierless Amplitude-Phase，CAP）方式基础上，引入非正交多址接入（NOMA）技术，提出了一种兼顾功率效率和频谱效率的混合调制方案，即NOMA-CAP混合调
《移动通信》2025年第2期目录
基于功率域NOMA的可见光CAP混合调制
（大连海事大学信息科学技术学院，辽宁 大连 116026）
【摘 要】为了满足6G网络通信下用户接入和高效的资源利用的需求，在无载波幅度相位调制（Carrierless Amplitude-Phase，CAP）方式基础上，引入非正交多址接入（NOMA）技术，提出了一种兼顾功率效率和频谱效率的混合调制方案，即NOMA-CAP混合调制，该方案允许多个用户在有限带宽内以更高的功率效率同时传输更多信息，在保证系统功率效率和频谱效率良好折中的同时，为用户接入提供了更为灵活和高效的选择。给出了NOMA-VLC系统结构模型，推导了NOMA-CAP系统误码性能理论解析式，并通过仿真实验验证了理论推导的准确性。仿真结果表明，在合适功率分配因子条件下，NOMA-CAP系统可以通过灵活的资源配置策略满足不同用户的服务质量需求。
【关键词】可见光通信；无载波幅度相位调制；非正交多址接入技术；混合调制
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.20241029-0001
中图分类号：TN929.5 文献标志码：A
文章编号：1006-1010(2025)02-0108-08
引用格式：刘星,王旭东,吴楠. 基于功率域NOMA的可见光CAP混合调制[J]. 移动通信, 2025,49(2): 108-114+131.
LIU Xing, WANG Xudong, WU Nan. Hybrid Modulation of Visible CAP Based on Power Domain NOMA[J]. Mobile Communications, 2025,49(2): 108-114+131.
0 引言
针对人们对频谱资源需求量的不断增加以及多连接、多接入的需求，越来越多学者们将研究重点放在第六代移动通信网络技术（The 6th Generation Mobile Communication Network，6G）上，希望利用6G技术充分挖掘包含毫米波、太赫兹和光无线等频谱资源[1]。相较于传统的射频技术，可见光通信（Visible Light Communication，VLC）被认为是6G的关键技术之一，VLC将日常普遍使用的LED光源作为发射终端，通过可见光来传输信息，因此其具有频谱资源丰富，高安全性，低成本等[2-3]优势，在实际推广应用中具备天然优势[4]在VLC系统采用的各种调制技术中，无载波幅度相位调制（Carrierless Amplitude-Phase，CAP）利用频域带宽相同、时域正交的低频载波传输数据，通过简化正交幅度调制的载波调制和乘法器，从而可以大大降低了调制的复杂度[5-8]。考虑到用户接入的方面，非正交多址接入（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）技术则出现在研究学者的视野中[9-10]。与正交传输不同，NOMA技术创新性地开辟出了功率域，其复杂度低，不需要标准化规范。在接收端，根据不同用户被分配的不同功率对用户信号进行解调，因此NOMA技术的应用能够在提升用户接入量的同时，有效提升系统的通信速率[11]。多址接入技术允许多用户共享频谱资源，有效地提高整个系统的频谱利用率[12]。文献[13]将NOMA技术与VLC通信系统相结合，提出了一种根据用户信道条件的增益比功率分配算法，通过仿真分析了LED的视场角对系统性能的影响，验证了NOMA与VLC系统相结合的可行性。文献[14]针对NOMA-VLC系统的发送端和接收端，分别提出了一种遍历比较算法和一种调整叠加信号星座图的解调方法，从仿真角度分析了NOMA-VLC的误码性能。文献[15]提出了一种根据比特位置对M-PSK-NOMA-VLC系统进行误码判决的方法，推导了误码率公式，验证了M-PSK作为发送端调制的通信系统，能够以较高的功率获得较好的误码性能。为了适应6G网络通信场景下对用户接入量和频谱效率的需求，将CAP与多址接入技术结合应该是一种值得研究的解决方案。本文在频谱高效的信号域CAP调制基础上，引入功率域NOMA技术[16,17]，针对VLC系统下行链路，提出了一种基于功率域的NOMA-CAP调制方案。该方案在发射端采用功率复用技术，根据不同用户的信道条件，对在同一频带内的不同用户的CAP调制信号分配不同的功率进行叠加，然后经过VLC信道到达接收端，在接收端，利用串行干扰消除（successive interference cancellation，SIC）技术[18]，根据用户被分配的功率大小依次对用户信号进行干扰消除，实现叠加信号的正确解调，有效区分不同用户。基于NOMA两用户模型，推导了NOMA-CAP调制系统误码率理论解析式，探究了调制参数对系统性能的影响，证实了理论分析的准确性。1 VLC信道模型
2 NOMA-CAP混合调制
2.1 基本原理及系统结构
2.2 性能分析
2.3 仿真结果
实验1：不同调制参数下系统的误码性能分析。
设仿真环境如表1，图4为不同调制参数下NOMA-CAP系统的误码性能曲线仿真图。由图4（a）可以看出，随着方案中两个用户的调制阶数的增加，NOMA-CAP系统的误码率逐渐增加；在同一方案中的两个用户之间的误码性能差距随着调制阶数的增加而减小。由图4（b）可以看出，方案中两个用户使用不同的调制方案时，当用户1调制为高阶调制，用户2调制为低阶调制时，两个用户之间的误码性能差距较两用户使用同一调制的误码性能差距降低了很多，这是由于用户2使用低阶调制，噪声容限变大，其误码性能变好。因此，在NOMA-CAP系统中，两个用户可以根据系统性能要求，更灵活地选择调制阶数的配置。
实验2：不同用户数目下系统的误码性能分析。
设仿真环境如表1，每个用户的调制方式均为4CAP，选取NOMA-CAP系统中用户数为2和3时进行仿真对比，仿真结果如图5所示，可以看出，由于用户1的信道状态最差，因此要分配给用户1最多的发射功率，才能更好的克服其他用户的产生的干扰，所以用户1的误码性能最好。随着用户数目的增加，用户1和用户2的在误码率为10-3时其信噪比分别增加了1.2 dB和1.2 dB。而且随着SIC依次向后解码，越往后的用户其误码性能会逐渐变差，这是由于在进行串行干扰消除时，在解调用户n的信号时，会受到前面n-1个用户的干扰导致解调的时候误码率增加，因此在仿真分析中一般采用双用户。
实验3：不同信道增益下系统的误码性能分析。
设仿真环境如表1，图6为选取不同信道增益下系统的误码性能曲线仿真图，可以看出，随着用户1与用户2通过的光信道增益变大，其误码性能逐渐升高。这是由于随着光信道增益的变大，在传输过程中信号的衰减变小，导致系统的误码率逐渐降低。
实验4：不同功率分配因子下系统的误码性能分析。
设仿真环境如表1，固定信噪比为110 dB，分别选取NOMA-CAP（4，4）、NOMA-CAP（16，16）和NOMA-CAP（32，32）方案进行仿真对比，并选取NOMA-CAP（4，4）方案针对不同功率分配因子进行性能分析。由图7（a）可以看出，信噪比固定，随着调制阶数的增加，当用户2所需要的功率分配因子越来越小时，系统的误码性能逐渐变好。这是因为随着调制阶数增加，相邻星座距离变小，所以需要更大的功率分配因子使两用户之间有较大的功率差异，更易区分另一个用户的信号，减少用户间干扰，这一点从图7（b）所示结果可以得到进一步验证。因此，在仿真过程中，选择合适的功率分配因子可以使NOMA-CAP系统中的两用户获得更好的误码性能。
实验5：不同传输速率下系统的误码性能分析。
使用NOMA-CAP系统与OMA-CAP系统进行比较，当比特速率为4 bit/s/Hz时，选取NOMA-CAP（4，4）和16CAP-OMA进行对比，当比特速率为8 bit/s/Hz时，选取NOMA-CAP（16，16）和256CAP-OMA进行对比，随着数据速率的提高，OMA-CAP系统较双用户NOMA-CAP系统的误码性能下降得更快。这是由于NOMA-CAP系统两个用户占用同一时频，提高了系统传输的频带利用率，降低了星座图之间的紧密性，提高了系统的误码性能。
3 结束语
本文为了提高可见光通信系统的性能，将二维CAP调制系统与功率域相结合，通过功率复用的思想改变了原本在功率域由单一用户独占资源的策略，极大提高了系统容量和频谱利用率。通过对比试验探究不同参数对系统性能的影响和理论的准确性，仿真实验证明了NOMA-CAP系统的性能与CAP的进制数和用户数目有关，系统的误比特率随着CAP进制的降低而减小，随着用户数目的降低而减小。该系统不仅能够在有限的频谱资源上传输更多数据，还通过灵活的资源配置策略满足了不同用户的服务质量需求，为可见光通信系统提供了高效且可靠的解决方案，调制方式的灵活性也使得系统能够更好地适应不同的传输环境和需求。
参考文献：（上下滑动浏览）
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【25专题征稿】6G空口技术、语义通信、通感算一体化
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来源：移动通信编辑部
